Компания IBM совершила существенный прорыв в квантовых вычислениях, создав систему, способную соединять два квантовых процессора по обычной системе связи в режиме реального времени. Два процессора функционируют как единое целое, применяя динамические схемы для снижения частоты ошибок, что увеличивает вычислительную мощь и масштабируемость системы.
Квантовые вычислительные блоки (QPU), также известные как квантовые процессоры, — это сердце квантовых компьютеров, позволяющие работать с квантовыми битами (кубитами). Подобно центральному процессору (CPU) в обычных компьютерах, QPU обрабатывают информацию. Для работы с кубитами в QPU применяются квантовые логические ворота, представляющие собой простейшие квантовые схемы, управляющие небольшим количеством кубитов. Они подобны кирпичикам или модулям, из которых строится полная квантовая схема.
Создание QPU затруднено существенными техническими сложностями, особенно увеличением количества ошибок при расширении масштаба систем. В связи с этим процессоры требуют поддержания стабильности кубитов посредством надёжных систем исправления ошибок.
Большинство больших архитектур работают с физическими кубитами на плоскостных массивах — равномерно расположенных слоях без пересечений, что сужает возможности связи кубитов. Эффективность квантовых компьютеров связана с развитием их масштаба и устранением проблемы ограниченной связи между кубитами. Модульный подход является ключевым фактором для увеличения числа физических кубитов в шумных квантовых процессорах, что требуется для достижения отказоустойчивости. — поясняют исследователи IBM в своем недавнем исследовании, изданном в журнале . .
Квантовые компьютеры, использующие захваченные ионы и нейтральные атомы, могут обеспечить модульность для эффективного перемещения кубитов. Микроволновые квантовые ворота дальнего действия способны создать связь для непланарных кубитов с эффективной коррекцией ошибок при помощи обычных кабельных систем.
С другой стороны, команда IBM выдвигает динамические схемы, предлагающие модульность посредством объединения двух QPU с помощью традиционной коммуникационной сети. Большинство приложений для квантовых вычислений нуждаются в большей связи, чем предлагает плоскостная сеть, реализуемая аппаратным обеспечением с большим количеством кубитов, чем доступно на одном QPU. », — говорят они.
Значительный прирост производительности и универсальности
Разработанная исследователями система включает встроенное устройство подавления ошибок и устройство для индуцирования квантовых состояний, требующих периодической связи, с использованием до 142 кубитов, распределенных по двум QPU. Каждое из этих QPU Eagle, разработанных IBM, способно обрабатывать до 127 кубитов. Устройства основаны на архитектуре сверхпроводящих передающих кубитов, функционирующих на частотах в несколько миллиардов герц. Спроектированные для снижения чувствительности к шуму, они работают как ангармонические осцилляторы, а ангармоничность обеспечивается устройством, генерирующим необходимые квантовые эффекты.
В процессорах Eagle QPU применяется система передачи данных третьего поколения. Процессоры IBM первой серии представляли собой однослойный металл над пластиной с кубитами и печатной платой.
Второе поколение представляет два отдельных чипа, каждый с узорчатым металлическим слоем, соединённых пластиной кубита, прикреплённой к распорной пластине. В третьем поколении пластина кубита связана прослойкой с многослойной проводкой. Сигналы управления и считывания проходят через этот дополнительный слой; изоляция позволяет передавать сигналы глубоко в крупные QPU.
В ходе нового исследования два квантовых процессора объединены в режиме реального времени посредством обычного канала связи. Благодаря управляющим элементам Квантовые затворы функционируют классическим способом в рамках динамической схемы, с использованием результатов измерений, полученных в середине схемы во время выполнения задачи. Классическая связная линия в режиме реального времени дает возможность применять квантовые ворота на одном из QPU в зависимости от результатов измерения на другом QPU. », — отмечают исследователи.
Это станет первой демонстрацией, показывающей совместную работу двух квантовых процессоров в гармонии. Исследования демонстрируют возможность использования нескольких квантовых процессоров как единого комплекса с системами подавления ошибок, управляемыми классическим каналом связи. — заявила команда. Система исправления ошибок в режиме реального времени повышает связность кубитов, что открывает дорогу к куда более мощным и многофункциональным квантовым компьютерам.